南亞熱帶杉木林皆伐跡地不同植被恢復方式對土壤理化性質(zhì)的影響

南亞熱帶杉木林皆伐跡地不同植被恢復方式對土壤理化性質(zhì)的影響

桉樹是桃金娘科桉屬植物的總稱。它具有快速生長、高度成熟和高品質(zhì)的特點。已成為中國南方快速生長和豐富的林業(yè)戰(zhàn)略樹種。大面積種植桉樹導致土壤地力衰退、林分產(chǎn)量下降,維持桉樹人工林長期穩(wěn)定的可持續(xù)發(fā)展已成為國內(nèi)外關(guān)注的焦點。土壤是影響植物群落生存、結(jié)構(gòu)和功能的重要環(huán)境因子之一,而土壤理化性質(zhì)直接影響植物的生長狀況。目前,有關(guān)桉樹研究主要集中在桉樹林土壤養(yǎng)分、植物多樣性、生物量和碳儲量及桉樹水文效應等。在杉木林皆伐跡地采用桉樹和闊葉樹進行人工植被恢復對土壤理化性質(zhì)的影響比較研究較少。本研究分析了我國南亞熱帶地區(qū)杉木林皆伐跡地不同人工植被恢復方式下(桉樹1代、桉樹第2代、不同林齡針闊混交林)土壤理化性質(zhì)的差異,旨在為該區(qū)人工林營建中的樹種選擇、土壤養(yǎng)分評價及人工林持續(xù)經(jīng)營措施的制定提供理論指導和科學依據(jù)。1材料和方法1.1桉樹林撫育模式調(diào)查區(qū)位于廣東省佛山市高明區(qū)云勇林場(11240′E、22°43′N)屬于南亞熱帶濕潤季風氣候,年平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫分別為22.0、34.5、3.5℃,雨量充沛,年降水量平均達2000mm,集中在4~8月。地勢屬丘陵地帶,土壤為花崗巖發(fā)育的酸性赤紅壤,土層深厚。2002—2003年和2007—2008年,在杉木皆伐跡地,選用桉樹和闊葉樹進行造林,造林撫育措施基本一致,即造林后前3年進行水平階帶狀除草,種植穴施肥撫育,施肥量保持一致,桉樹林撫育去除了杉木萌芽條,而闊葉林撫育只保留了單株杉木萌芽條。試驗樣地概況見表1。1.2樣地的設置2013年8~10月,選擇地形地貌、海拔、母巖、土壤類型等相同或相近,且基本相連10~11年生針闊混交林(簡稱針闊林Ⅰ)、第2代萌芽桉樹林(簡稱桉樹林Ⅱ)、5~7年生針闊混交林(簡稱針闊林Ⅲ)和第1代桉樹林(簡稱桉樹林Ⅳ)作為試驗樣地,在每個試驗樣地內(nèi)分別設計3個土壤調(diào)查樣地。1.2.1土壤容重測定在每個土壤調(diào)查樣地內(nèi)選擇有代表性的部位,分別挖取3個土壤剖面,按照0~25、25~50、50~75、75~100cm土壤深度用100cm3環(huán)刀取樣測定土壤容重,同時取土壤樣品,每層3次重復,同層土壤取混合樣約200g,分別裝入自封袋中并做好標記。1.2.2測定指標與方法參考LY/T1215-1999《森林土壤水分-物理性質(zhì)的測定》,由環(huán)刀法計算得到土壤容重、自然含水量、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管空隙度、土壤通氣性。將樣品風干、碾磨、過篩后,分別測試土壤pH值、全氮、全磷、全鉀,水解性氮、有效磷和速效鉀,其中,pH值測定采用電位測定法;有機質(zhì)用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定;全氮用氨氣敏電極法測定;全磷用氫氧化鈉堿熔鉬銻抗比色法測定;全鉀用氫氧化鈉堿熔火焰光度計法測定;水解性氮用堿解擴散法測定;有效磷用雙酸浸提鉬銻抗比色法測定;速效鉀用乙酸銨浸提火焰光度計法測定。1.2.3單因素方差和主成分分析運用Excel將數(shù)據(jù)進行整理和預處理,利用SPSS16.0進行單因素方差(one-wayANOVA)和主成分分析。采用Duncan新復極差法比較各指標在各觀測樣地的差異性。采用雙變量相關(guān)分析法計算各項理化指標兩兩之間的Pearson相關(guān)系數(shù)。2結(jié)果與分析2.1土壤理化性質(zhì)與結(jié)構(gòu)土壤物理性質(zhì)是土壤肥力的重要因素。其好壞直接或間接地影響著土壤的水、肥、氣、熱等狀況。土壤容重反映土壤的松緊程度及孔隙狀況,反映土壤透水性、通氣性和根系伸展時阻力的大小。由圖1可知,不同試驗林,土壤容重介于1.34~1.41g/cm3之間,其大小依次為針闊林Ⅰ>桉樹林Ⅱ>針闊林Ⅲ>桉樹林Ⅳ,在0~75cm土層,4種試驗林土壤容重隨土層深度的增加呈上升趨勢隨著土層深度的繼續(xù)增加呈現(xiàn)下降趨勢。在0~25、50~75、75~100cm的土層,4種試驗林間土壤容重間差異不顯著,而25~50cm與0~100cm土層4種試驗林土壤容重變化趨勢一致。4種試驗林土壤自然含水量大小表現(xiàn)為針闊林Ⅰ>針闊林Ⅲ>桉樹林Ⅳ>桉樹林Ⅱ,表明桉樹種植使土壤含水量減少,對水分消耗增加。土壤孔隙度的大小、數(shù)量及分配是土壤物理性質(zhì)的基礎,也是評價土壤結(jié)構(gòu)特征的重要指標。由圖2可知,4種試驗林土壤總孔隙度介于42.48%~46.98%之間,0~100cm土層內(nèi)4種試驗林間土壤總孔隙度差異不顯著,但針闊混交林土壤總孔隙度高于桉樹林。土壤毛管孔隙度介于38.21~44.38%之間,在0~100cm土層內(nèi),針闊混交林土壤毛管孔隙度顯著高于桉樹林,表明桉樹林土壤中有效水的貯存容量變小,吸持水分維持自身生長發(fā)育的能力降低,保水性能變差。由圖3可知,在0~25cm土壤表層,桉樹林土壤非毛管孔隙度顯著高于針闊林,說明桉樹接納降水量和減少地表徑流量的能力優(yōu)于中幼齡針闊混交林,在一定程度上具有涵養(yǎng)水源和削減洪水的作用,在25~50、50~75、75~100cm土層,4種試驗林間土壤非毛管孔隙度差異不顯著;土壤非毛管孔隙度大小表現(xiàn)為桉樹林Ⅱ>桉樹林Ⅳ>針闊林Ⅲ>針闊林Ⅰ。土壤通氣性大小表現(xiàn)為針闊林Ⅲ>桉樹林Ⅱ>桉樹林Ⅳ>針闊林Ⅰ,說明10~11年林齡的針闊混交林土壤通透性好于其他3種林分。相關(guān)性分析(表2和表3)可知,針闊混交林土壤容重與土壤自然含水量、有機質(zhì)含量、全氮含量和水解氮含量呈極顯著負相關(guān),土壤容重與有機質(zhì)含量相關(guān)系數(shù)最高,土壤容重受有機質(zhì)含量影響最大。土壤自然含水量與總孔隙度、毛管孔隙度呈極顯著正相關(guān),土壤自然含水量受土壤毛管孔隙度影響最大,而與土壤通氣性呈極顯著負相關(guān),土壤非毛管孔隙度與土壤通氣性呈極顯著正相關(guān)。桉樹林土壤容重與土壤自然含水量、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤通氣性、土壤有機質(zhì)含量、全氮、全磷、水解氮和速效鉀存在極顯著負相關(guān),其中土壤容重與土壤通氣性和有機質(zhì)含量相關(guān)性最高,桉樹林土壤容重受土壤通氣性和有機質(zhì)含量影響最大。土壤自然含水量與總孔隙度、毛管孔隙度呈極顯著正相關(guān),且與毛管孔隙度相關(guān)系數(shù)最高,自然含水量受土壤毛管孔隙度影響最大。2.2土壤有機質(zhì)提高與土壤全氮、水解氮含量關(guān)系由圖4可知,4種試驗林土壤pH值介于4.03~4.5之間,呈強酸性,研究發(fā)現(xiàn),桉樹林土壤pH值顯著高于針闊林,說明針闊混交林土壤酸性強于桉樹林。4種試驗林0~25cm土層土壤有機質(zhì)含量最高,并隨土壤深度的增加呈下降的趨勢,各試驗林間土壤有機質(zhì)含量差異不顯著,但與中幼齡針闊混交林相比,桉樹林土壤有機質(zhì)含量低于針闊混交林,其中桉樹第2代對土壤有機質(zhì)消耗最大。相關(guān)性分析(表2和表3)可知,桉樹林和針闊混交林土壤有機質(zhì)與全氮、水解氮和有效磷呈極顯著和顯著正相關(guān),有機質(zhì)與全氮和水解氮相關(guān)性最高,說明土壤中絕大部分氮素以有機態(tài)存在,故有機質(zhì)對全氮和水解氮含量具有重要影響。由圖5可知,4種試驗林表層土壤全氮和水解氮含量最高,隨土層深度的增加,土壤全氮和有效氮含量逐漸下降,其變化趨勢與土壤有機質(zhì)變化趨勢一致。在0~25cm土層不同試驗林間土壤全氮和水解氮差異不顯著,這主要與土壤表層有機質(zhì)含量有關(guān)。土壤全氮含量表現(xiàn)為針闊林Ⅲ>針闊林Ⅰ>桉樹林Ⅳ>桉樹林Ⅱ,而土壤有效氮含量表現(xiàn)為針闊林Ⅰ>針闊林Ⅲ>桉樹林Ⅳ>桉樹林Ⅱ,研究表明,針闊混交林土壤全氮和有效氮含量均高于桉樹林,桉樹第2代呈現(xiàn)出最低的全氮和有效氮。由圖6可知,不同土壤層次針闊林Ⅰ土壤全磷含量顯著高于其他林分,而桉樹林Ⅱ、針闊林Ⅲ和桉樹林Ⅳ間土壤全磷含量差異不顯著,針闊混交林土壤全磷氮量明顯高于桉樹林。在0~100cm土層,土壤有效磷含量隨土壤深度的增加呈下降的趨勢,4種試驗林分間土壤有效磷含量差異不顯著,其大小表現(xiàn)為桉樹林Ⅱ>針闊林Ⅲ>針闊林Ⅰ>桉樹林Ⅳ。相關(guān)性分析(表2和表3)可知,土壤有效磷含量與土壤通氣性、土壤有機質(zhì)含量、全氮和水解氮呈極顯著或顯著正相關(guān),而與土壤全磷含量相關(guān)性不顯著。由圖7可知,不同土層深度和不同試驗林分間土壤全鉀含量差異不顯著,說明土層深度和試驗林分對土壤全鉀含量影響不大。在0~100cm土層,桉樹林土壤速效鉀含量顯著高于針闊混交林。2.3主成分的提取由于影響土壤理化性質(zhì)的因素很多,且諸多因素存在一定的相關(guān)性,致使反映土壤理化狀況的若干指標信息發(fā)生較大的重疊。主成分分析方法可在復雜的土壤理化指標體系中篩選出若干個彼此不相關(guān)的綜合性指標,這些綜合指標能反映出原來全部指標所提供的大部分信息。本研究選取容重、自然含水量、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤通氣性、pH、有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、水解氮、速效磷和速效鉀14個因子(依次用X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11、X12、X13、X14表示),運用主成分分析法對針闊混交林和桉樹林土壤理化性質(zhì)的影響進行了綜合評價。為避免計算結(jié)果受變量量綱和數(shù)量級不同的影響,保證其客觀性和科學性,需先對原始數(shù)據(jù)矩陣進行標準化處理,由SPSS軟件進一步求出矩陣的特征值、特征向量、貢獻率和累積貢獻率(表4)。根據(jù)特征值≥1的原則,提取了4個主成分。由表4可以看出,第1主成分對于總方差的貢獻率為41.295%,第2主成分貢獻率為18.920%,第3主成分貢獻率為14.210%,第4主成分貢獻率為10.760%,4者之和為85.185%,即前4個主成分能把土壤理化性質(zhì)指標提供信息的85%反映出來。第1個主成分因子荷載量較大的指標有土壤自然含水量和全磷;第2個主成分因子荷載量較大的指標有土壤速效鉀和土壤pH值;第3個主成分因子荷載量較大的指標有容重和有機質(zhì);第4個主成分因子荷載量較大的指標有速效P和全K。主成分是原p個指標的線性組合,各指標的權(quán)數(shù)為特征向量rij,它能代表各單項指標對于主成分的重要程度并決定了該主成分的實際意義。根據(jù)主成分計算公式,可得到4個主成分與原14項指標的線性組合如下:把標準化的數(shù)據(jù)代入上式,可得到12個調(diào)查樣地分別在4個主成分上的得分。依據(jù)F=b1Z1+b2Z2+b3Z3+b4Z4+…bkZk,得F=0.4130Z1+0.1892Z2+0.1421Z3+0.1076Z4,從而求得綜合得分F。表5是各個主成分的得分及綜合得分。從表5可知,土壤肥力表現(xiàn)為針闊混交林Ⅰ>針闊混交林Ⅲ>桉樹林Ⅱ>桉樹林Ⅳ。3土壤理化性質(zhì)與桉樹1代相比,桉樹第2代土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和土壤通氣性均有不同程度的上升,但桉樹1代和2代土壤物理指標間差異不顯著,桉樹2代土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀和水解氮均有不同程度下降,而土壤pH值、有效磷和速效鉀則呈上升的趨勢,桉樹1代和2代土壤養(yǎng)分指標間差異不顯著。與針闊混交林相比,桉樹土壤容重、自然含水量、總孔隙度、毛管孔隙度均低于針闊混交林,表明桉樹林土壤中有效水的貯存容量變小,吸持水分維持自身生長發(fā)育的能力降低,保水性能變差。而土壤非毛管空隙度和土壤通氣性高于針闊混交林,說明桉樹接納降水量和減少地表徑流量的能力優(yōu)于中幼齡針闊混交林,在一定程度上具有涵養(yǎng)水源和削減洪水的作用桉樹土壤有機質(zhì)、全氮、全磷和水解氮含量均低于針闊混交林,而桉樹土壤pH值高于針闊混交林。相關(guān)性分析表明,4種試驗林土壤容重與土壤自然含水量、有機質(zhì)含量、全氮和水解氮存在極顯著負相關(guān),土壤自然含水量與總孔隙度、毛管孔隙度呈極顯著正相關(guān),且與毛管孔隙度相關(guān)系數(shù)最高,自然含水量主要受土壤毛管孔隙度的影響。4種試驗林土壤有機質(zhì)與全氮、水解氮和有效磷呈極顯著和顯著正相關(guān),有機質(zhì)與全氮和水解氮相關(guān)性最高,說明土壤中絕大部分氮素以有機態(tài)存在